CN105835045A - 一种面板安装桁架机械手及安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面板安装桁架机械手及安装方法，桁架的矩形框架对应边设置有一对X导轨，一Y导轨滑动设置在所述一对X导轨上，Z导轨经滑块定位在该Y导轨上；其特征是：处于一条X导轨的一端设置有撕膜机构、另一端设置有检测机构，另一条X导轨内侧设置有背板输送带；撕膜机构由撕膜臂配合旋转台协同完成撕膜动作；所述Z导轨下端通过纵向轴定位有机械手，该机械手具有水平抓取轴和抓取盘，借助抓取盘抓取面板完成转移、检测和倾斜安装任务。上述涉及的动作均由控制系统统一按程序协调控制，实现无气泡安装。

Description

一种面板安装桁架机械手及安装方法

技术领域：

本发明属于自动化安装设备领域，特别涉及一种面板安装桁架机械手及安装方法，尤其适合液晶面板的无接触式高精度安装。

背景技术：

多轴安装桁架或称之多轴桁架机器人，广泛运用于制造业领域代替人工，高效率完成重复性动作。桁架顾名思义，就是一种矩形框架，至少具有X轴Y轴和Z轴导轨，以实现在框架内的三维运动；而针对不同产业需求，即需在机械手设计更灵活的轴关节，并配合必要的测量装置，以确保将零件输送到位。诸如液晶显示器装配工艺，要求装配精确度控制在0.05mm以下。传统装配都是通过人工做的卡槽卡住背板，再由人工直接安装，这样的缺点有三：(1)人的手指会有部分接触到液晶屏幕的安装面，造成屏幕的污损；(2)安装精度达不到要求，废品率高；(3)需要熟练的操作工人，人工成本大，且人工安装效率低。对于液晶制造业存在的缺陷，即成为本发明研究的方向。

发明内容：

本发明的目的是发明一种借助机器视觉系统在线检测面板中心，适时通过机械手调整至精确安装位置的面板安装桁架机械手及安装方法。

本发明技术方案是这样实现的：

一种面板安装桁架机械手及安装方法，桁架主体包括由立柱支撑的矩形框架，该矩形框架对应边设置有一对X导轨，一Y导轨滑动设置在所述一对X导轨上，Z导轨经滑块定位在该Y导轨上；其特征是：处于一条X导轨的一端设置有撕膜机构、另一端设置有检测机构，另一条X导轨内侧设置有背板输送带；所述背板输送带在安装位设置有定位背板的安装卡槽；所述撕膜机构包括有旋转台和撕膜臂，旋转台具有一能让机械手伸入至底部的开放式搁置框，该搁置框表面设有定位吸盘和传感器，中部通过横轴定位在支架上；所述搁置框在转台电机驱动下，能做往复摆动；撕膜臂包括夹杆、夹嘴、滑块和撕膜电机；所述夹嘴固定在在夹杆上，夹杆与所述横轴平行、端部旋转定位在滑块上，该滑块滑动定位在水平导轨上，并由撕膜电机驱动夹杆水平往复运动，与搁置架协调动作；所述夹杆与滑块间设置一旋转电机，该旋转电机驱动夹杆自转，调节夹嘴夹取方向；所述夹嘴由气动或电动驱动吸合动作；所述Z导轨下端通过纵向轴定位有机械手，该机械手具有水平抓取轴和抓取盘，在抓取盘盘面设置有抓取吸盘，所述水平抓取轴两端对称位置各设置一距离传感器；所述检测机构包括固定在所述矩形框架下侧的线阵相机和标定板，标定板处于下位布置，且与矩形框架边线平行，线阵相机拍摄图像信息通过图像采集卡转换传送给控制系统；上述涉及的动作均由控制系统统一按程序协调控制；基于上述安装桁架，对于液晶屏面板与背板的安装步骤如下：

撕膜过程：人工将液晶面板放置旋转台的搁置框上，传感器检测到面板到位，搁置框上的定位吸盘吸住面板，并旋转至45度位置；撕膜臂动作，夹杆移动至面板上方，旋转夹嘴方向，对准面板边沿的薄膜边沿，而后夹住；由控制系统控制夹杆移动速度和搁置框旋转速度，保持薄膜与面板处于130-145度之间，直至薄膜撕下为止；夹杆和搁置框复位，定位吸盘释放对面板控制；机械手动作，抓取盘从旋转台上方下降，一对距离传感器对面板一条边沿侧面进行测距，借助纵向轴调节使得水平抓取轴与面板一条边沿平行；抓取盘继续下降并伸至搁置框下，借助抓取盘上的抓取吸盘吸住面板，翻转180度正置面板，并经过测量区域，进行测量找中心；

测量过程：机械手将面板移动至标定板上方，设置在标定板上方的光耦传感器产生一触发信号给线阵相机，线阵相机采集正置面板匀速通过标定板的边界数据，并拟合出面板的三条直边，确认面板中心点a；当面板中心点a与抓取盘中心点b不重叠，存在误差通过两点坐标确定，机械手上面板沿X导轨和Y导轨移动至背板对齐的实际坐标，为机械手移动标准坐标加上误差坐标；

安装过程：采用倾斜安装，抓取盘绕水平抓取轴旋转5-10度，当面板、背板、抓取盘在同一坐标系下时，由面板中心点a、抓取盘中心点b以及背板中心点c，利用这三点推导出背板对应抓取盘中心点的d点。借助b点、d点以及面板与背板之间的夹角，利用三角函数计算公式，得出在面板倾斜设定角度时，背板上的安装点e，有了b点和e点，最后让这两点对齐开始安装；安装过程面板与背板夹角逐渐变小，直至为零安装结束，此时，e点与d点重合，也是b点与d点重合。

本发明通过五轴桁架配合线阵相机在线测量，从面板撕下保护膜至安装在背板上，全程无人工干预，尤其通过撕膜臂与旋转台协同作业，保持撕膜快速顺利完成；机械手在抓取面板过程，即完成抓取轴与面板一条边平行调节；机械手在转移面板至线阵相机区域自动完成面板中心的测量；面板采用倾斜安装在背板上，实现无气泡安装。

附图说明：

下面结合具体图例对本发明做进一步说明：

图1面板安装桁架立体示意图

图2机械手与Z导轨关系示意图

图3撕膜机构正视图

图4撕膜机构立体示意图

图5面板测量第一种状态

图6面板测量第二种状态

图7面板调整前状态

图8面板调整后状态

图9面板移动至背板上方准备安装状态

其中

1—矩形框架 11—立柱 12—X导轨 13—Y导轨

14—Z导轨 141—纵向轴 2—机械手 21—水平抓取轴

211—距离传感器 22—抓取盘 221—抓取吸盘 3—撕膜机构

31—旋转台 311—搁置框 312—定位吸盘 313—传感器

314—横轴 315—支架 32—撕膜臂 321—夹杆

322—夹嘴 323—滑块 33—水平导轨 324—撕膜电机

4—检测机构 41—线阵相机 42—标定板 5—背板输送带

6—面板 7—背板

以及：a点：面板6的中心点；

b点：抓取盘22的中心点；

c点：背板7的中心点；

d点：在同一坐标系下抓取盘中心点在背板上的对应点简称为d点；

e点：在有角度的安装时为使面板与背板的边对齐安装，在面板旋转角度之后，使b点与c点对齐安装以不能实现，这时候需要计算出背板上的安装点设为e，e点计算方法为：通过b、c两点以及面板旋转的角度，通过三角函数的计算公式得出e点；

h：面板6的右边沿，面板安装时最先接触且重叠背板的一条边；

k：背板7的右边沿，最先接触且重叠面板的一条边；

k1：图5、图6面板上边沿；

k2：图5、图6面板右边沿；

f：图5、图6面板左上端点；

g：图5、图6面板右下端点。

具体实施方式：

参照图1至图4，液晶面板安装桁架机械手，桁架主体包括矩形框架1、立柱11，以及矩形框架对应边设置有一对X导轨12，一Y导轨13滑动设置在一对X导轨12上，Z导轨14经滑块定位在该Y导轨上；处于一条X导轨12的一端设置有撕膜机构3、另一端设置有检测机构4，另一条X导轨内侧设置有背板输送带5；背板输送带5在安装位设置有定位背板的安装卡槽。

如图1、图3和图4，撕膜机构3包括有旋转台31和撕膜臂32，旋转台31具有一能让机械手伸入至底部的开放式搁置框311，该搁置框311表面设有定位吸盘312和传感器313，中部通过横轴314定位在支架315上；搁置框311在转台电机驱动下，能做往复摆动；撕膜臂32包括夹杆321、夹嘴322、滑块323和撕膜电机324；夹嘴322固定在在夹杆321上，夹杆321与横轴314平行、端部旋转定位在滑块323上，该滑块323滑动定位在水平导轨33上，并由撕膜电机324驱动夹杆321水平往复运动，与搁置架311协调动作，保持撕膜过程，薄膜与面板处于130-145度之间，也即最轻松撕膜角度；在夹杆321与滑块323间还设置一旋转电机，该旋转电机驱动夹杆321自转，调节夹嘴322夹取方向；而夹嘴322由气动或电动驱动吸合动作。

如图1和图2，Z导轨14下端通过纵向轴141定位有机械手2，该机械手2具有水平抓取轴21和抓取盘22，在抓取盘22盘面设置有抓取吸盘221，水平抓取轴21两端对称位置各设置一距离传感器211，或者设置在抓取盘22前沿两侧对称位置，通过其来对齐水平抓取轴21与面板6一条边的平行；由X导轨12、Y导轨13、Z导轨14、纵向轴141和水平抓取轴21组成五轴桁架。

检测机构4包括固定在矩形框架1下侧的线阵相机41和标定板42，标定板处于下位布置，且与矩形框架1边线平行，线阵相机拍摄图像信息通过图像采集卡转换传送给控制系统；以上涉及的动作均由控制系统统一按程序协调控制，整个过程均可由MATLAB软件编程实现。

基于上述安装桁架，对于液晶屏面板与背板的安装步骤如下：

撕膜过程：人工将液晶面板6放置旋转台的搁置框311上，传感器检测到面板6到位，搁置框上的定位吸盘312吸住面板6，并旋转至45度位置；撕膜臂32动作，夹杆321移动至面板6上方，旋转夹嘴322的方向，对准面板6边沿的薄膜边沿，而后夹住；由控制系统控制夹杆321移动速度和搁置框311旋转速度，保持薄膜与面板6处于130-145度之间，直至薄膜撕下为止。选择适当的角度，可保证顺利撕下薄膜，而无残留和破损。撕膜结束，夹杆321和搁置框311复位，定位吸盘312释放对面板6的控制；机械手2动作，抓取盘22从旋转台31上方下降，一对距离传感器211对面板6一条边沿侧面进行测距，借助纵向轴141调节使得水平抓取轴21与面板6一条边沿平行，使得水平抓取轴21旋转至任一角度，该面板一条边沿始终与之平行，方便于后道安装步骤；抓取盘22继续下降并伸至搁置框311下侧，借助抓取盘22上的抓取吸盘221吸住面板6，移动离开旋转台31，并翻转180度正置面板6，经过测量区域，进行测量找面板6中心。

参照图5和图6，测量原理如下：

测量过程：当面板6匀速正向通过标定板42上方时，线阵相机41开始数据采集，即最先拍摄k1、k2两条边，根据图像灰度的不同，利用线性插值方法拟合出k1、k2两条直线，在通过两个拐点判断出k1、k2的长度，即面板的长与宽，当面板6向前移动时，根据面板6在抓取时姿态的不同，此时有两种情况来判断两个拐点的出现，一种如图5所示，当扫描到k2直线y坐标突然变小，此点即为拐点g，扫描到k1直线y坐标突然变大，则即拐点f,此时有了k1、k2直线方程以及面板的长宽即可得出矩形面板6的轮廓，进而确定其中心点a；另一种如图6所示，当扫描到k2直线x坐标突然变大，此点即为拐点g，扫描到k1直线x坐标突然变大，则即拐点f,同理有了k1、k2直线方程以及面板的长宽即可得出矩形面板6的轮廓，进而确定其中心点a。

再如图7和图8，现将面板6看成矩形平面，且以矩形一端点设置平面坐标系，同理将抓取盘22以及背板7同样看成矩形平面，且以矩形一端点设置平面坐标系，各自平面坐标系用途为确定各自的中心点坐标，在确定背板7与面板6正对平行时，利用直线h在坐标系中的方程，求出其斜率，又因为直线k与坐标x轴平行，斜率为0，通过空间向量变换公式使两边平行。

参照图9，安装原理如下：

安装过程：采用倾斜安装，抓取盘22绕水平抓取轴21旋转5-10度，当面板6、背板7、抓取盘22在同一坐标系下时，由面板中心点a、抓取盘中心点b以及背板中心点c，利用这三点推导出背板7对应抓取盘中心点的d点。(推导过程如下：在进行坐标变换确定背板抓取盘中心点时，将面板平面、背板平面、抓取盘平面投影到同一平面坐标系中，以此坐标系为基准通过a点与b点的绝对坐标差以及c点坐标，计算出d点。)借助b点、d点以及面板与背板之间的夹角，利用三角函数计算公式，得出在面板6倾斜设定角度时，背板7上的安装点e，有了b点和e点，最后让这两点对齐开始安装；安装过程面板与背板夹角逐渐变小，直至为零安装结束，此过程，e点随着角度变小而向d点平移，直至与d点重合，也是b点与d点重合，安装到位。

Claims (1)

1.一种面板安装桁架机械手及安装方法，桁架主体包括由立柱支撑的矩形框架，该矩形框架对应边设置有一对X导轨，一Y导轨滑动设置在所述一对X导轨上，Z导轨经滑块定位在该Y导轨上；其特征是：处于一条X导轨的一端设置有撕膜机构、另一端设置有检测机构，另一条X导轨内侧设置有背板输送带；所述背板输送带在安装位设置有定位背板的安装卡槽；所述撕膜机构包括有旋转台和撕膜臂，旋转台具有一能让机械手伸入至底部的开放式搁置框，该搁置框表面设有定位吸盘和传感器，中部通过横轴定位在支架上；所述搁置框在转台电机驱动下，能做往复摆动；撕膜臂包括夹杆、夹嘴、滑块和撕膜电机；所述夹嘴固定在在夹杆上，夹杆与所述横轴平行、端部旋转定位在滑块上，该滑块滑动定位在水平导轨上，并由撕膜电机驱动夹杆水平往复运动，与搁置架协调动作；所述夹杆与滑块间设置一旋转电机，该旋转电机驱动夹杆自转，调节夹嘴夹取方向；所述夹嘴由气动或电动驱动吸合动作；所述Z导轨下端通过纵向轴定位有机械手，该机械手具有水平抓取轴和抓取盘，在抓取盘盘面设置有抓取吸盘，所述水平抓取轴两端对称位置各设置一距离传感器；所述检测机构包括固定在所述矩形框架下侧的线阵相机和标定板，标定板处于下位布置，且与矩形框架边线平行，线阵相机拍摄图像信息通过图像采集卡转换传送给控制系统；上述涉及的动作均由控制系统统一按程序协调控制；基于上述安装桁架，对于液晶屏面板与背板的安装步骤如下：

1)撕膜过程：人工将液晶面板放置旋转台的搁置框上，传感器检测到面板到位，搁置框上的定位吸盘吸住面板，并旋转至45度位置；撕膜臂动作，夹杆移动至面板上方，旋转夹嘴方向，对准面板边沿的薄膜边沿，而后夹住；由控制系统控制夹杆移动速度和搁置框旋转速度，保持薄膜与面板处于130-145度之间，直至薄膜撕下为止；夹杆和搁置框复位，定位吸盘释放对面板控制；机械手动作，抓取盘从旋转台上方下降，一对距离传感器对面板一条边沿侧面进行测距，借助纵向轴调节使得水平抓取轴与面板一条边沿平行；抓取盘继续下降并伸至搁置框下，借助抓取盘上的抓取吸盘吸住面板，翻转180度正置面板，并经过测量区域，进行测量找中心；

2)测量过程：机械手将面板移动至标定板上方，设置在标定板上方的光耦传感器产生一触发信号给线阵相机，线阵相机采集正置面板匀速通过标定板的边界数据，并拟合出面板的三条直边，确认面板中心点a；当面板中心点a与抓取盘中心点b不重叠，存在误差通过两点坐标确定，机械手上面板沿X导轨和Y导轨移动至背板对齐的实际坐标，为机械手移动标准坐标加上误差坐标；

3)安装过程：采用倾斜安装，抓取盘绕水平抓取轴旋转5-10度，当面板、背板、抓取盘在同一坐标系下时，由面板中心点a、抓取盘中心点b以及背板中心点c，利用这三点推导出背板对应抓取盘中心点的d点；借助b点、d点以及面板与背板之间的夹角，利用三角函数计算公式，得出在面板倾斜设定角度时，背板上的安装点e，有了b点和e点，最后让这两点对齐开始安装；安装过程面板与背板夹角逐渐变小，直至为零安装结束，此时，e点与d点重合，也是b点与d点重合。